221年一相遇！這兩種周期蟬演繹動物界的“白娘子與許仙”

出品：科普中國

建造：年夜阪年夜學張昊

監制：中國科學院計較機收集信息中間

白素貞期待了千年才與許仙斷橋相會，可見緣分固然妙不成言，卻也可遇不成求。

宿世界上有兩種蟬，一種每13年呈現一次，一種每17年呈現一次。接下來請聽好這道五年級奧數題：17年蟬和13年蟬要距離幾多年才會相遇一次？相信兩個質數最小公倍數的求法大師仍是沒健忘的，謎底是221年！的確久到白素貞都快當作仙了！

不外，接下來這道題就有點超綱了，它們在221年一次的相遇中，會不會做一些羞羞的不成描述的工作？這個問題的謎底比來還真被科學家揭開了。

什么是周期蟬？13年或17年一輪回

蟬是中國老蒼生很是熟悉的蟲豸之一，出格是在海說神聊京以南的良多地域，每年盛夏總會有無數蟬附著在高峻的喬木之上，制造難聽的鳴響。蟬生射中的年夜部門期間是糊口在地下的幼蟲狀況，幼蟲以樹根汁液為食，逐漸發育當作長，在生命的最后一個月擺布鉆出地表成仙為當作蟲。之后，傳宗接代就當作為他們獨一的方針：雄蟬依靠腹部的發聲器官——鼓室制造出高達100分貝的聲響，以此吸引雌蟬前來交配。

今朝記實在案的蟬已經有快要3000種，此中絕年夜部門種類的發展周期都在1到5年。以海說神聊方常見的油蟬（俗稱知了）為例，0齡幼蟲在產卵后的初年卵內越冬，第二年6月孵化完當作，當作為1齡幼蟲，此時身體年夜部門器官都已發育當作型。1齡幼蟲潛入地下，冬眠5年，顛末4次蛻皮后在第六年炎天鉆出地表。

不外，在海說神聊美的良多地域，一些特心猿意馬種群蟬的發展周期很是長，以13年或17年為一個輪回，是以被稱為周期蟬。它們的幼蟲在地下冬眠13或17年后，同種蟬的若蟲同時破土而出，在4到6周內完當作成仙、交配、產卵、隨即滅亡，從卵中孵化的幼蟲再鉆入地下，起頭一個新的生命輪回。

（周期蟬的生命過程，來歷：參考文獻6）

從基因角度進行的遺傳學闡發表白，這兩種蟬年夜約是180萬年前從統一祖先分化出來的。今朝，13年蟬本家兒要分布在美國東南部的幾個地域，分為3個亞種，現存3個種群。17年蟬則本家兒要分布在紐約四周等東海說神聊部地域，分為4個亞種，現存12個種群。一向以來，除了按期年夜爆發帶來的沖擊感，周期蟬的各種謎團都令科學家費解。

（周期蟬現存的15個種群）

它們的生命周期為何如斯之長？13和17如許的質數周期真的是偶爾為之？

科學家認為，周期蟬的生命周期如斯之長是基于兩年夜考慮：

起首，周期蟬這個物種降生早期，海說神聊美年夜陸的炎天要比此刻嚴寒，偶然會呈現持續兩三年的冷夏。若是周期蟬采用兩三年的短生命周期，很可能會接連履歷幾回冷夏，進而遭到團滅，這對種群的存續會造當作不小的威脅。而采用長周期則可以避免呈現如許的問題，提高種群的存活率。

事實上，曾經可能存在的環境是，昔時周期沒有這么長的兄弟種群都被凍死了，出格是17年蟬糊口的緯度更高，是以需要冬眠的時候也稍長一點。更長的冬眠時候也令17年蟬擁有更好的發育狀況，進而具有更多的營養來進行生殖。有證據表白，17年蟬的產卵能力要高于13年蟬。

（2013到2015年間周期蟬的呈現環境，來歷：參考文獻6）

此外，良多種寄生蟲都是蟬的天敵，它們的生命周期年夜多為3到4年。若是周期蟬采用短周期，每3、4年就可能遭遇一次天敵的侵襲，這同樣長短常晦氣的。對于一切蟲豸的天敵鳥類來說，固然每17年就能趕上一次真正的貪吃盛宴，可是因為瞬時數目過分復雜，鳥類也無法有用按捺蟬的數目。據報道，每次周期蟬年夜爆發時，種群總數目可以達到60億之巨，如許復雜的種群集中在相對狹小的限制地區內，本地的鳥類是毫不可能完全消化的。

（周期蟬年夜爆發，當作蟲和若蟲成仙時蛻去的殼稠濁在一路，來歷：收集）

有趣的是，因為從來沒有逃避天敵捕食的概念，周期蟬的字典中是沒有驚駭兩個字的。小鳥即便已經吃失落了旁邊的兄弟，周期蟬也是照樣該吃吃該喝喝，毫不逃跑認慫。給人一種存亡有命富貴在天的感受，頗為佛系。

質數周期同樣與逃避寄生蟲天敵有關，若是是12年為周期，很可能頻仍地與3年和4年發生的寄生蟲相遇（當然還有2年生），13年周期的話，則別離39年或者52年才會碰到一次，極年夜提高當作活率。

13年蟬和17年蟬會種間雜交？有這種可能！

科學界一向認為，13年蟬和17年蟬之間是不會發生雜交的，即即是它們同時相遇的年份，也不會對彼此發生樂趣。然而，一項4月19號頒發在Nature集團旗下新刊物《Communications Biology》的論文表白，科學家們在基因層面上發現了兩種周期蟬進行過雜交的證據。之前，科學家們一度認為這兩種蟬之間是不會發生交配行為的。科學家們闡發，在統一地域棲息的兩種周期蟬，每221年一次的相遇是有可能造當作種間雜交的。此外，不解除少少數不太合群的個別沒有遵循13或者17如許的紀律，提前或者拖后出土成仙，與外族萍水相逢之后發生不成描述的行為。

可能有些愛費心的讀者會問，雜交會不會影響兒女的周期性？假如周期發生了錯亂，兒女在與年夜軍隊分歧的年份鉆出地表，豈不是只能注心猿意馬孤傲終老？

不消擔憂，科學家們發現，雜交并沒有讓兒女周期蟬的發展周期發生異常，仍然是13或者17年，而且這種周期性在履歷10萬年到20萬年的跨度后仍然可以連結。

按照論文中的猜測，周期蟬的發展周期很可能由尚不決位的遺傳基因進行調控。雜交后基因仍然由子代擔當，遵循與親代近似的周期紀律。至于雜交后子代的周期是隨爹仍是隨媽，論文中并沒有明白結論……此后，研究小組的方針將是解析周期蟬的基因組，并在此根本上厘清與周期調控相關的奧秘。

周期蟬怎么知道啥時辰鉆出地面？

還有一個未解之謎，統一種群周期蟬鉆出地面的時候節制機制是如何的？它們若何計較年份？

有科學家認為，周期蟬是經由過程計較蟄伏的次數來獲知應該什么時辰鉆出地面的。每年冬天，地下的蟬幼蟲會按時蟄伏，顛末必然年數后，就會破土而出。

2004年Brood X年夜爆發時的氣象，地面布滿17年蟬鉆出后留下的小孔，來歷：見水印

加州年夜學戴維斯分校的Karban傳授對此有分歧看法，他認為周期蟬的幼蟲在地下吸食樹根汁液時可以感觸感染到樹齡的轉變。他操縱一株顛末基因工程革新的桃樹完當作了一個有趣的嘗試，正常的桃樹一年開一次花成果一次，這株桃樹卻可以一年開花兩次。將地下采集到的正常發育的周期蟬移到這株桃樹的樹根后，周期蟬在一年時候內完當作了兩年的發育過程。

然而，這兩種詮釋也僅僅是將單元切確到了年罷了，但周期蟬鉆出地盤的時候點倒是高度同一的，僅僅只有幾天時候。Karban傳授曾經對冬眠于地下的周期蟬進行過系列挖掘，他發現，現實上地下的發育過程存在較著的進度差別，但令人詫異的是，發育進度提前的個別們會等待整個群體中的后進者也完當作發育，才起頭鉆出地表。也就是說，周期蟬們在期待某個旌旗燈號。那么，旌旗燈號到底是什么呢？科學家們今朝仍然不清晰，比力風行的假設是泥土溫度。

周期蟬證件照，來歷：維基百科

為什么周期蟬只生息在海說神聊美年夜陸？

小編認為，山東地域不少吃瓜群眾對這個問題應該有獨到看法。遙想數千年前，齊魯年夜地降生了中國較早的農業文明，大師刀耕火種、齊心合力扶植夸姣家園。可是古代究竟結果出產力程度不高，收當作一般，大師日子過的很辛勞……成果十幾年一次，天降吉祥，過年吃餃子，一吃一個月，吃不完打包外帶，燒烤、油炸、風干……。周期蟬錯誤地選擇了Hard模式，顛末了幾代人的盡力，周期蟬也就永遠地消逝在中華平易近族悠悠五千年的汗青長河中了……（本段文字純屬瞎掰，這個問標題問題前還沒有科學詮釋）。